CN110073375A - 用于量子位读出的补偿脉冲 - Google Patents

Abstract

用于进行量子位读出的设备和方法。在一个方面，一种设备包括以量子位频率操作的量子位；频率控制器，其配置为控制所述量子位频率，且其在量子位测量操作期间配置为：确定补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到量子位时，其抵消量子位测量操作期间的量子位频率变化；以及在量子位测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到量子位，以保持量子位频率。

Description

用于量子位读出的补偿脉冲

技术领域

本说明书涉及量子计算。

背景技术

经典计算机具有由位(bit)组成的存储器，其中每个位可以表示零或一。量子计算机保持量子位的序列，称为量子位(qubit)，其中每个量子位可以表示零、一，或者零和一的任何量子叠加。量子计算机通过将量子位设定在初始状态并例如根据量子逻辑门的序列来操纵量子位而操作。计算以量子位读出结束，将量子位的系统塌缩成本征态，其中每个量子位表示零或一。

发明内容

本说明书描述了与用于进行量子位读出的量子硬件和方法相关的技术。通过在读出期间用补偿脉冲调谐量子位的频率来避免量子位频率的不受控的偏移和到量子位水平的不受控的转变。

总体上，本说明书中描述的主题的一个创新方面可以体现为一种设备，其包括以量子位频率操作的量子位，以及频率控制器，其配置为在量子位测量操作期间控制量子位频率，该频率控制器还配置为：确定补偿脉冲，当将补偿脉冲施加到量子位时，其抵消量子位测量操作期间的量子位频率变化；以及在量子位测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到量子位，以保持量子位频率。

前述和其他实施方式中的每一个可以可选地包括以下特征中的一个或多个，单独地或组合地。在一些实施方式中，量子位测量操作期间的量子位频率变化包括量子位频率的不受控的偏移。

在一些实施方式中，补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

在一些实施方式中，为了确定补偿脉冲，频率控制器配置为迭代地构建补偿脉冲，其中频率控制器配置为：测量在测量操作期间的量子位频率的偏移，以获得测量的量子位频率的偏移；构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到量子位时，其抵消测量的量子位频率的偏移；将补偿脉冲施加到量子位；且其中对于每次迭代，频率控制器配置为：测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；确定是否已发生完成条件；响应于确定尚未发生完成条件，为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及响应于确定已经发生完成条件，使用最新构建的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲。

在一些实施方式中，确定是否已经发生完成条件包括确定对于当前迭代的测量操作期间的测量的量子位频率的偏移是否不是量子位频率的不受控的偏移。

在一些实施方式中，为了确定补偿脉冲，频率控制器配置为：初始测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；向量子位施加初始补偿脉冲，并测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；将对应于测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；以及在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲，并使用变化的初始补偿脉冲测量补偿测量操作期间的频率的偏移，直到测量操作期间的得到的测量的量子位频率的偏移低于预定的可接受的偏移。

在一些实施方式中，在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲包括，对于每个时间步长，保持用于先前的时间步长的变化的补偿脉冲的值。

在一些实施方式中，量子位占据多个量子位水平中的一个，且其中量子位频率变化包括到量子位水平的不受控的转变。

在一些实施方式中，量子位水平包括两个计算的量子位水平和各自高于所述计算的量子位水平的一个或多个非计算的量子位水平，且其中到量子位水平的不受控的转变包括到非计算的量子位水平的不受控的转变。

在一些实施方式中，补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

在一些实施方式中，为了确定补偿脉冲，频率控制器配置为迭代地构建补偿脉冲，其中频率控制器配置为：识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到量子位时，其抵消识别的到非计算的量子位水平的转变；将补偿脉冲施加到量子位；且其中对于每次迭代，频率控制器配置为：识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；确定是否已发生完成条件；响应于确定尚未发生所述完成条件，为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及响应于确定已经发生完成条件，使用最新构建的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲。

在一些实施方式中，确定是否发生完成条件包括确定在测量操作期间没有发生到量子位水平的不受控的转变。

在一些实施方式中，为了确定补偿脉冲，频率控制器配置为：识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；向所述量子位施加初始补偿脉冲，并识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；将对应于测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲，直到不发生到非计算的量子位水平的转变。

在一些实施方式中，量子位是超导量子位。

在一些实施方式中，补偿脉冲包括调谐量子位频率的磁通偏置。

在一些实施方式中，该设备还包括读出谐振器，其中在测量操作期间，所述读出谐振器耦合到量子位并由外部射频源驱动。

在一些实施方式中，由于量子位与其他两级或更多级系统的耦合而发生量子位频率变化。

本说明书中描述的主题的另一个创新方面可以体现为测量量子位的状态的方法，包括：确定补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消量子位测量操作期间的量子位频率变化；以及在量子位测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到量子位，以保持量子位频率。

本说明书中描述的主题可以以特定实施例实现，以便实现以下优点中的一个或多个。

为了确定量子位的状态，必须测量量子位。然而，由于存在进行测量所需的硬件和/或用于进行测量的方法，测量量子位的过程不可避免地干扰量子位。例如，可以通过探测耦合到transmon的谐振器的频率来测量transmon量子位的状态。为了探测谐振器频率，谐振器可以由外部射频源驱动。这种驱动可以将光子放入谐振器中。当谐振器填充有光子时，耦合到谐振器的量子位的频率偏移。这种偏移会降低测量过程的准确性，将误差引入涉及量子位的计算中。作为另一个示例，例如，当谐振器光子占据变得足够高时，由于量子位与谐振器的耦合，量子位可能经历不受控的(即不需要的)高量子位水平(例如3级或6级)的转变。这种转变还会降低测量过程的准确性并成为误差的来源。

如本说明书中所述，实现用于量子位读出的补偿脉冲的系统抵消了量子位频率的不受控的(即不需要的)偏移和到量子位水平的不受控的转变，例如，量子位泄漏。通过确定在测量过程期间施加到量子位的补偿脉冲，系统将量子位频率保持在预期水平。因此提高了测量过程的准确性。此外，通过提高测量过程的准确性，使用量子位的量子计算也可以实现更高水平的准确性。

本说明书的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。根据说明书、附图和权利要求，本主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1描绘了使用补偿脉冲进行量子位读出的示例系统。

图2A是在量子位读出期间作为时间的函数的量子位频率的图示。

图2B是作为能量衰减寿命的函数的量子位频率的图示。

图3是使用补偿脉冲进行量子位读出的示例过程的流程图。

图4是用于确定补偿脉冲以抵消量子位频率的偏移的示例迭代过程的流程图。

图5是用于确定补偿脉冲以抵消量子位频率的偏移的示例时间步长过程的流程图。

图6是用于确定补偿脉冲以抵消量子位水平交叉的示例迭代过程的流程图。

图7是用于确定补偿脉冲以抵消量子位水平交叉的示例时间步长过程的流程图。

各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

当使用读出谐振器进行量子位读出时，可能发生误差。例如，谐振器中的光子可以使量子位经历频率偏移，称为AC斯塔克偏移(AC Stark shift)。这种频率偏移会移动量子位频率而与两级系统(two-level system)(TLS)谐振。如果量子位处于第一量子位状态-1，则与TLS的谐振允许量子位从1-衰减到0-，即当量子位与TLS谐振时，其能量衰减寿命减少，这意味着量子位在更短的时间内保持其能量，如下面关于图2A所示。作为另一个例子，谐振器中的光子可能引起量子位谐振器系统内的水平交叉(level crossing)。在这种情况下，量子位可能会经历不受控的(即不需要的)到较高量子位状态的转变——即量子位泄漏，或者在某些情况下，不需要的到较低量子位状态的转变。

本说明书描述了用于进行量子位读出的架构和方法。在测量操作期间，量子位频率用补偿脉冲进行调谐，该补偿脉冲抵消由AC斯塔克偏移引起的有害影响，包括到两级系统中的衰变和从量子位-谐振器水平交叉的泄漏。

示例操作环境

图1描绘了使用补偿脉冲进行量子位读出的示例系统100。系统100包括量子位102、读出谐振器104和频率控制器106。读出谐振器104和频率控制器106通过一个或多个耦合器与量子位102相互作用。为方便起见，在图1中示出了一个量子位102和一个读出谐振器，但是在一些实施方式中，系统100可以包括多个量子位和多个读出谐振器。

量子位102包括一组量子位水平，例如，两个计算的量子位水平(computationalqubit level)0-、1-，以及一个或多个非计算的水平(non-computational qubit level)，该一个或多个非计算的水平各自高于计算的量子位水平。量子位水平之间的转变，例如，从水平0-到1-、1-到2-、2-到3-等的转变，可以与相应的转变频率相关联。计算的量子位水平0-和1-可以是用于进行计算操作的量子位水平。因此，以特定频率操作量子位可以描述使用特定频率促进计算的量子位水平之间的转变，例如，使用微波脉冲来诱导从0-到1-或从1-到0-的转变。可以用于操作量子位的频率范围可以被认为形成频谱。

为了在计算操作期间或在其之后确定量子位102的状态，可以测量量子位102。系统100可以使用读出谐振器104来帮助测量量子位102。在测量操作期间，量子位102以与读出谐振器104操作的频率相对应的频率操作，例如，量子位102和读出谐振器104可以在300MHz和1.2GHz之间的彼此分开的相应频率下操作。例如，系统可以扫描量子位操作的频率超过读出谐振器操作的频率，以进行向下量子位水平转变。然后可以通过探测读出谐振器104操作的频率来测量量子位102的状态。为了探测读出谐振器104操作的频率，读出谐振器104可以由例如射频源的外部驱动源110驱动。

在一些实施方式中，量子位102可能经历不受控的——即不需要的频率偏移，或到不同的量子位水平不受控的转变。例如，使用外部驱动源110驱动读出谐振器104可能使光子进入读出谐振器104。当读出谐振器104填充有光子时，量子位操作的频率可能经历偏移。例如，在读出谐振器104操作的频率高于量子位操作的频率的情况下，量子位频率可能经历向下偏移。在某些情况下，这种向下偏移称为AC斯塔克转变。

另外，当量子位与其环境或其环境中的对象相互作用时，可能发生频率的不受控的偏移或到不同的量子位的不受控的转变。例如，由于量子位102与寄生系统(例如，两级或更高级的系统)相互作用，可能发生频率的不受控的偏移或到不同的量子位水平的不受控的转变。在一些实施方式中，这种寄生系统可具有微观但未知的起源。寄生系统可以耦合到量子位102，就像不需要的量子位一样。然后，当量子位102以等于或接近寄生系统操作的频率的频率操作时，量子位可能失去其能量给寄生系统。量子位的能量衰减寿命可能随着量子位频率的调谐而因此呈现出尖锐特征，如下面参考图2B所示。

此外，在一些情况下，由于量子位102和读出谐振器104之间的相互作用，量子位可能经历到高的非计算的量子位水平的转变。在量子位102和读出谐振器104之间的失谐及谐振器光子数的某些组合下，可能发生量子位-读出谐振器系统中的量子位水平之间的交叉。这些交叉会使量子位102跳到其他量子位水平。

频率控制器106配置为控制量子位102的频率。特别地，频率控制器106控制量子位102操作的频率，使得避免了在测量操作期间的导致频率的不受控的偏移或到不同的量子位水平的不受控的转变的量子位频率变化。

为了控制量子位102操作的频率，包含在频率控制器106中的补偿脉冲发生器108可以配置为确定补偿脉冲，当该补偿脉冲施加到量子位时，其抵消在测量操作期间的不受控的量子位频率变化。在一些实施方式中，补偿脉冲可以是磁通偏置，其调谐量子位操作的频率。下面参考图4-7更详细地描述确定补偿脉冲以抵消不受控的量子位频率变化。

频率控制器106可以配置为在测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到量子位，以保持量子位频率，例如以避免如上所述的频率的不需要的偏移或到不同的量子位水平的不需要的转变。通过在测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到子位，可以减少量子位测量中的误差并且可以提高量子位测量的准确度。

图2A是在量子位读出期间作为时间的函数的量子位频率的图示200。当谐振器填充有光子时，量子位频率降低。一旦读出脉冲结束，量子位频率就返回到其空闲频率。

图示200示出频率偏移(例如，AC斯塔克偏移)可以将量子位频率从选择的空闲值推离到导致与寄生系统(例如，寄生两级系统)相互作用的频率。此外，与寄生系统的相互作用会导致较低的能量衰减寿命T1。这降低了读出过程的准确性，因此引入了误差。

图2B是作为量子位频率的函数的能量衰减寿命的图示250。当量子位频率接近寄生两级系统频率时，量子位的能量衰减寿命显示为急剧下降。

对硬件进行编程

图3是使用补偿脉冲进行量子位读出的示例过程300的流程图。例如，过程300可以由参考图1在上面描述的系统100的频率控制器106进行。为方便起见，描述了对单个量子位进行读出的过程300。然而，对于包括多个量子位的系统，可以并行地进行过程300。

系统确定补偿脉冲，当该补偿脉冲施加到量子位时，抵消量子位测量操作期间的不受控的量子位频率变化(步骤302)。

在一些实施方式中，不受控的量子位频率变化包括量子位频率的不需要的偏移。例如，如上面参考图1所述，在一些实施方式中，量子位可以是超导量子位，例如，传输线并联等离子体振荡量子位(transmon)。在这些示例中，可以通过探测耦合到量子位的读出谐振器的频率来测量transmon量子位的状态。为了探测谐振器频率，谐振器可以由外部射频源驱动。这种驱动可以将多个光子放入谐振器中。当谐振器填充有光子时，如果谐振器频率高于量子位频率，则可以使量子位操作的频率例如向下偏移。

在这些情况下，系统可以确定补偿脉冲，当在读出期间施加到量子位时，该补偿脉冲抵消量子位频率的这种偏移。如上面参考图1所述，所确定的补偿脉冲还将量子位操作的频率保持在不会引起与寄生系统(例如微观但未知起源的寄生两级系统)的不需要的相互作用的频率。下面参考图4和图5更详细地描述用于确定补偿脉冲的方法，当施加到量子位时，该补偿脉冲抵消量子位测量操作期间的不受控的量子位频率变化。

在一些实施方式中，不受控的量子位频率变化导致到量子位水平的不需要的转变。例如，如上面参考图1所述，在一些实施方式中，量子位可以被认为占据多个量子位水平中的一个。量子位水平可以包括两个计算的量子位水平，例如水平0-和1-，以及一个或多个非计算的量子位水平，它们各自高于计算的量子位水平，例如水平2-、3-等。在这些情况下，不受控的量子位频率变化可能导致到非计算的量子位水平的转变。例如，在一些实施方式中，量子位可以是超导量子位，例如，transmon量子位。如上所述，在这些示例中，可以通过探测耦合到量子位的读出谐振器的频率来测量transmon量子位的状态。当谐振器光子占据变得足够高时，transmon量子位可能经历到高量子位水平的不受控的转变，例如3-和6-量子位水平。这种转变是测量操作期间的误差的来源。

在这些情况下，系统可以确定补偿脉冲，当在读出期间施加到量子位时，该补偿脉冲抵消到量子位水平的这种转变。在一些实施方式中，所确定的补偿脉冲还可以将量子位操作的频率保持在不会引起与寄生系统(例如微观但未知起源的寄生两级系统)的不需要的相互作用的频率。在其他实施方式中，所确定的补偿脉冲可以包括多个子脉冲，其中一个子脉冲抵消到量子位水平的不需要的转变，并且另一个子脉冲保护量子位免受与寄生系统的不需要的相互作用。下面参考图6和图7更详细地描述用于确定补偿脉冲的方法，当施加到量子位时，该补偿脉冲抵消量子位测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变。

系统在量子位测量操作期间将确定的补偿脉冲施加到量子位以保持量子位频率(步骤304)。例如，在量子位是超导量子位(例如，transmon量子位)的情况下，施加所确定的补偿脉冲可以包括施加调谐量子位频率的磁通偏置。以这种方式保持量子位频率可以减少量子位读出过程中的误差并改善量子位读出准确度。

图4是用于确定补偿脉冲以抵消量子位频率的偏移的示例迭代过程400的流程图，如上面参考图3的步骤302所述。例如，所确定的补偿脉冲可用于抵消在测量操作期间的AC斯塔克偏移。过程400可以由上面参考图1描述的系统100的频率控制器106进行。

系统测量在测量操作期间的量子位频率的偏移以获得测量的量子位频率的偏移(步骤402)。例如，在量子位是超导transmon量子位的情况下，系统可以测量在没有补偿脉冲的情况下相对于时间的transmon频率AC斯塔克偏移，如上面的图2A所示。相对于时间的频率偏移是时间的函数，例如，ω⁰(t)。系统可以通过以各种频率驱动量子位直到观察到量子位状态变化，来测量量子位频率的偏移。

系统构建补偿脉冲，当将该补偿脉冲施加到量子位时，其抵消测量的量子位频率的偏移(步骤404)。例如，继续上面的示例，系统可以使用从磁通偏置到量子位频率偏移的已知映射来构建时间相关的控制波形，c¹(t)，其抵消(即中和)了相对于时间的测量的频率偏移ω⁰(t)。在一些实施方式中，补偿脉冲可为这样的脉冲，其在施加到量子位时允许量子位频率的偏移以最小化或减少状态转变，即，可能不需要补偿脉冲来保持量子位频率稳定。

系统将补偿脉冲施加到量子位(步骤406)。例如，继续上述示例，系统可以在测量操作期间将补偿脉冲c¹(t)施加到量子位。

补偿脉冲c¹(t)可能无法准确地抵消量子位频率的不受控的偏移。例如，步骤402中的相对于时间的频率偏移ω⁰(t)的测量可能是不完美的，例如，由于实验误差或不准确性。另外，步骤404中的时间相关的控制波形c¹(t)的构建可能是不完美的，例如，由于上述的从磁通偏置到量子位频率偏移的已知的映射中的缺陷。此外，通过施加c¹(t)改变量子位频率可能会影响用于进行测量操作的读出谐振器的频率。因此，与上述步骤402中使用的读出谐振器探测脉冲的效果相比，读出谐振器探测脉冲的效果可能不同。因此，系统迭代地重复步骤402-406。为清楚起见，下面描述示例迭代。

系统测量在测量操作期间的量子位频率的偏移(408)。例如，对于第j次迭代，系统测量在将第j次补偿脉冲施加到量子位(例如，将c^j(t)施加到量子位)的情况下的测量操作期间的当前量子位频率的偏移ω^j(t)。

系统确定是否已发生完成条件(步骤410)。在一些实施方式中，确定是否已经发生完成条件包括，确定对于当前迭代的测量操作期间的测量的量子位频率的偏移是否不导致频率的不受控的偏移或到不同量子位水平的不受控的转变。例如，对于第j次迭代，系统可以确定ω^j(t)是否足够小，例如，量子位操作的频率在测量操作期间是否仍然偏移超过可接受的量。

响应于确定尚未发生完成条件，系统构建随后的补偿脉冲用于下一次迭代(步骤412)。例如，对于第j次迭代，系统可以使用从磁通偏置到量子位频率偏移的已知映射来构建用于第j+1次迭代的随后的补偿脉冲c^(j+1)(t)，其抵消第j次迭代的相对于时间的测量的频率偏移ω^j(t)。

响应于确定已经发生完成条件，系统使用最新构建的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲(步骤414)。然后，系统可以在量子位测量操作期间将所确定的补偿脉冲施加到量子位以保持量子位频率，如上面参考图3的步骤304所述。

图5是用于确定补偿脉冲以抵消量子位频率的偏移的示例时间步长过程500的流程图，如上面参考图3的步骤302所述。例如，所确定的补偿脉冲可用于抵消在测量操作期间的AC斯塔克偏移。过程500可以由上面参考图1描述的系统100的频率控制器106进行。

系统初始测量在测量操作期间的量子位频率的偏移(步骤502)。例如，如上面参考图4的步骤402所述，在量子位是超导transmon量子位的情况下，系统可以测量相对于时间的transmon频率AC斯塔克偏移。相对于时间的频率偏移是时间的函数，例如，ω(t)。系统通过探测耦合到量子位的读出谐振器的频率来测量量子位频率的偏移，例如，通过使用探测脉冲驱动读出谐振器。

系统向量子位施加初始补偿脉冲，并测量在测量操作期间的量子位频率的偏移(步骤504)。如上面参考图4的步骤404所述，系统可以使用从磁通偏置到量子位频率偏移的已知映射来构建时间相关的控制波形，其抵消(即中和)了相对于时间的测量的频率偏移ω(t)。

系统将对应于测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长(步骤506)。例如，对应于测量操作的持续时间的时间段可以由[0，T]表示。在该示例中，系统可以将间隔[0，T]划分为多个离散的时间步长，例如，每个长度为1ns。

系统在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲，并使用变化的初始补偿脉冲来测量补偿测量操作期间的频率的偏移，直到测量操作期间的得到的测量的量子位频率的偏移低于预定的可接受的偏移(步骤508)。

例如，系统可以首先在第一时间步长中改变初始补偿脉冲的值，直到在该时间步长中得到的测量的量子位频率偏移低于预定的可接受的偏移。在一些实施方式中，这在第一时间步长中设定所确定的补偿的值。例如，系统可以通过保持用于先前的时间步长的变化的补偿脉冲的值，而在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲。在一些实施方式中，如果确定在时间步长中得到的测量的量子位频率偏移已经低于预定的可接受的偏移，则系统可以在时间步长中保持补偿脉冲。

为了确定如何在每个时间步长中改变初始和随后的补偿脉冲，系统可以定义度量，其表示量子位状态在测量操作期间转变了多少，即误差。然后，系统可以参数化补偿脉冲并针对所定义的度量运行最小化算法。以这种方式，系统确定有效的补偿脉冲，但是对于所确定的补偿脉冲的实际形状是不可知的。

系统使用在一个或多个离散时间步长中变化的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲。然后，系统可以在量子位测量操作期间将所确定的补偿脉冲施加到量子位以保持量子位频率，如上面参考图3的步骤304所述。

图6是用于确定补偿脉冲以抵消量子位水平交叉的示例迭代过程600的流程图，如上面参考图3的步骤302所述。例如，确定的补偿脉冲可以用于抵消测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变。过程600可以由上面参考图1描述的系统100的频率控制器106进行。

系统识别测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变(步骤602)。例如，如上面参考图3所述，在量子位是超导transmon量子位的情况下，可以通过探测耦合到量子位的读出谐振器的频率来进行测量操作。在这些情况下，系统可以在测量操作期间识别由量子位与读出谐振器的相互作用引起的到高的非计算的量子位水平的转变，例如3-和6-量子位水平。例如，对于量子位和谐振器之间的失谐以及量子位和谐振器光子数的某些组合，可能发生transmon谐振器系统中的量子位水平之间的交叉。

系统构建初始补偿脉冲c⁰(t)，当施加到量子位时，其抵消识别的到量子位水平的不受控的转变(步骤604)。例如，系统可以识别导致到非计算的量子位水平的转变的量子位-谐振器失谐和光子数的组合，并且构建补偿脉冲，该补偿脉冲避免所识别的组合或快速移动通过所识别的组合。作为另一个示例，系统可以识别量子位中的例如到其他量子位的不受控的耦合、微波模式或微观缺陷，并构建避免不受控制的耦合的补偿脉冲。

系统在测量操作期间将补偿脉冲施加到量子位(步骤606)。如上面参考图4所描述的，所构建的补偿脉冲可能不会精确地抵消所识别的到量子位水平的不受控的转变。例如，例如通过测量的识别到量子位水平的不受控的转变的过程可能是不完美的。另外，步骤604中的补偿脉冲的构建可能是不完美的。因此，系统迭代地重复步骤602-606以产生最终的补偿脉冲。为清楚起见，下面描述示例迭代。

系统识别测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变(步骤608)。例如，对于第j次迭代，系统识别在将当前的补偿脉冲施加到量子位(例如，将c^j(t)施加到量子位)的情况下的测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变。

系统确定是否已发生完成条件(步骤610)。在一些实施方式中，确定是否发生完成条件包括，确定在测量操作没有发生频率的不受控的偏移和到不同量子位水平的不受控的转变。

响应于确定尚未发生完成条件，系统构建用于下一次迭代的随后的补偿脉冲(步骤612)。例如，对于第j次迭代，系统可以使用从磁通偏置到量子位频率偏移的已知映射来构建用于第j+1次迭代的随后的补偿脉冲c^(j+1)(t)，其抵消当前的第j次迭代的识别的到量子位水平的不受控的转变。

响应于确定已经发生完成条件，系统使用最新构建的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲(步骤614)。然后，系统可以在量子位测量操作期间将所确定的补偿脉冲施加到量子位以保持量子位频率，如上面参考图3的步骤304所述。

图7是用于确定补偿脉冲以抵消量子位水平交叉的示例时间步长过程700的流程图，如上面参考图3的步骤302所述。例如，确定的补偿脉冲可以用于抵消测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变。过程700可以由上面参考图1描述的系统100的频率控制器106进行。

系统识别测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变(步骤702)。例如，如上面参考图6的步骤602所述，在量子位是超导transmon量子位的情况下，可以通过探测耦合到量子位的读出谐振器的频率来进行测量操作。在这些情况下，系统可以在测量操作期间识别由量子位与读出谐振器的相互作用引起的到高量子位水平的转变，例如3-和6-量子位水平。例如，对于量子位-谐振器失谐以及谐振器光子数的某些组合，可能发生transmon谐振器系统中的量子位水平之间的交叉。

系统向量子位施加初始补偿脉冲，并识别测量操作期间的到量子位水平的不受控的转变(步骤704)。例如，系统可以识别导致到量子位水平的不受控的转变的量子位-谐振器失谐和光子数的组合，并且构建补偿脉冲，该补偿脉冲避免所识别的组合或快速移动通过所识别的组合。

如上面参考图5所述，为了构建初始补偿脉冲，系统可以定义度量，其表示量子位状态在测量操作期间转变了多少，即误差。然后，系统可以参数化第一初始补偿脉冲，并针对所定义的度量运行最小化算法来构建初始补偿脉冲。

替代地，系统可以通过首先测量读出谐振器光子数的值(即量子位AC斯塔克偏移)来构建初始补偿脉冲，在所述值下发生频率的不受控的偏移或到不同的量子位的水平不受控的转变。然后，系统可以在没有补偿脉冲的情况下测量在测量操作期间的量子位频率与时间的关系。然后，系统可以选择补偿脉冲，该补偿脉冲将量子位频率保持在与发生到量子位水平的不受控的转变的频率的预定距离处，或者选择补偿脉冲，该补偿脉冲快速地移动量子位频率经过发生到量子位水平的不受控的转变的频率。

系统将对应于测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长(步骤706)。例如，对应于测量操作的持续时间的时间段可以由[0，T]表示。在该示例中，系统可以将间隔[0，T]划分为多个离散的时间步骤，例如，每个长度为1ns。

该系统在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲，直到不发生到量子位水平的不受控的转变，或者有到量子位水平的可接受量的不受控的转变(步骤708)。例如，系统可以首先在第一时间步长中改变初始补偿脉冲的值，直到在该时间步长中得到的测量的量子位频率偏移低于预定的可接受的偏移。在一些实施方式中，这在第一时间步长中设定所确定的补偿的值。例如，系统可以通过保持用于先前的时间步长的变化的补偿脉冲的值，在多个时间步长中的每一个中顺序地变化初始补偿脉冲。在一些实施方式中，如果确定在时间步长中得到的测量的量子位频率偏移已经低于预定的可接受的偏移，则系统可以在时间步长中保持补偿脉冲。

系统使用在一个或多个离散时间步长中变化的补偿脉冲作为确定的补偿脉冲。然后，系统可以在量子位测量操作期间将所确定的补偿脉冲施加到量子位以保持量子位频率，如上面参考图3的步骤304所述。

本说明书中描述的数字和/或量子主题以及数字功能操作和量子操作的实施例可以实现在数字电子电路、合适的量子电路(或更一般地，量子计算系统)中，在有形地实施的数字和/或量子计算机软件或固件中，在数字和/或量子计算机硬件中，包括本说明书中公开的结构及其结构等同物，或者它们中的一个或多个的组合。术语“量子计算系统”可以包括但不限于量子计算机、量子信息处理系统、量子密码系统或量子模拟器。

本说明书中描述的数字和/或量子主题的实施例可以被实现为一个或多个数字和/或量子计算机程序，即，编码在有形非暂时性存储介质上的数字和/或量子计算机程序指令的一个或多个模块，以由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。数字和/或量子计算机存储介质可以是机器可读存储装置、机器可读存储基板、随机或串行存取存储器装置、一个或多个量子位，或它们中的一个或多个的组合。替代地或附加地，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号上，该传播信号能够编码数字和/或量子信息，例如机器生成的电信号、光信号或电磁信号，其被生成以对数字和/或量子信息进行编码，以发送到合适的接收器设备以供数据处理设备执行。

术语量子信息和量子数据是指由量子系统承载、保持或存储的信息或数据，其中最小的非平凡(non-trivial)系统是量子位，即定义量子信息的单元的系统。应当理解，术语“量子位”在相应的上下文中涵盖可以适当地近似为两级系统的所有量子系统。这种量子系统可以包括多级系统，例如，具有两个或更多个级。举例来说，这种系统可以包括原子、电子、光子、离子或超导量子位。在许多实施方式中，计算的基础状态用地面和第一激发状态来标识，但是应当理解，其中用更高水平的激发状态标识的计算状态的其他设定是可能的。

术语“数据处理设备”是指数字和/或量子数据处理硬件，并且涵盖用于处理数字和/或量子数据的各种设备、装置和机器，包括例如可编程数字处理器、可编程量子处理器、数字计算机、量子计算机、或多个数字和量子处理器或计算机，以及它们的组合。设备还可以或者进一步包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)，或ASIC(专用集成电路)，或量子模拟器，即量子数据处理设备，其设计为模拟或生成关于特定量子系统的信息。特别地，量子模拟器是一种专用量子计算机，它不具有进行通用量子计算的能力。除硬件之外，设备可以可选地包括为数字和/或量子计算机程序创建执行环境的代码，例如代码，其构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统，操作系统、或它们中的一个或多个的组合。

数字计算机程序，其也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码，可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，或者声明或程序语言，它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序、或适用于数字计算环境的其他单元。量子计算机程序，其也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用程序、模块、软件模块、脚本或代码，可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，或者声明或程序语言，并翻译成合适的量子编程语言，或者可以用量子编程语言编写，例如QCL或Quipper。

数字和/或量子计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保存其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、存储在专用于所涉及的程序的单个文件中、或者存储在多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)。数字和/或量子计算机程序可以部署为在一台数字或一台量子计算机上或在多台数字和/或量子计算机上执行，所述多台计算机位于一个站点，或跨多个站点分布并通过数字和/或量子数据通信网络互连。量子数据通信网络被理解为可以使用量子系统传输量子数据的网络，例如，量子位。通常，数字数据通信网络不能传输量子数据，然而量子数据通信网络可以传输量子数据和数字数据两者。

本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程数字和/或量子计算机进行，适当地与一个或多个数字和/或量子处理器一起操作，执行一个或多个数字和/或量子计算机程序以通过对输入数字和量子数据进行操作并生成输出来进行功能。过程和逻辑流也可以由以下来进行(且设备也可以实现为)：专用逻辑电路、例如FPGA或ASIC，或量子模拟器，或者通过专用逻辑电路或量子模拟器及一个或多个编程的数字和/或量子计算机的组合。

对于要“配置为”进行特定操作或动作的一个或多个数字和/或量子计算机的系统，意味着系统已经在其上安装了软件、固件、硬件或它们的组合，其在运行时使得系统进行操作或动作。对于要配置为进行特定操作或动作的一个或多个数字和/或量子计算机程序，意味着一个或多个程序包括指令，当由数字和/或量子数据处理设备执行所述指令时，使设备进行操作或动作。量子计算机可以从数字计算机接收指令，该指令在由量子计算设备执行时使设备进行操作或动作。

适合于执行数字和/或量子计算机程序的数字和/或量子计算机可以基于通用或专用数字和/或量子微处理器或两者，或任何其他种类的中央数字和/或量子处理单元。通常，中央数字和/或量子处理单元将从只读存储器或随机存取存储器，或适合于发送量子数据(例如光子)的量子系统，或其两者的组合接收指令和数字和/或量子数据。

数字和/或量子计算机的基本元件是用于进行或执行指令的中央处理单元，以及用于存储指令和数字和/或量子数据的一个或多个存储器装置。中央处理单元和存储器可以由专用逻辑电路或量子模拟器补充或并入其中。通常，数字和/或量子计算机还将包括或可操作地耦接以从以下装置接收数字和/或量子数据或将向其传输数字和/或量子数据：用于存储数字和/或量子数据的一个或多个大容量存储装置，例如磁盘、磁光盘或光盘，或适用于存储量子信息的量子系统。然而，数字和/或量子计算机不需要具有这样的装置。

适用于存储数字和/或量子计算机程序指令和数字和/或量子数据的数字和/或量子计算机可读介质包括所有形式的非易失性数字和/或量子存储器、介质和存储器设备，例如包括：半导体存储装置，例如EPROM、EEPROM和闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；和CD-ROM和DVD-ROM盘；以及量子系统，例如被捕获的原子或电子。可以理解，量子存储器是能够以高保真度和高效率长时间存储量子数据的装置，例如，光-物质界面，其中光用于传输，物质用于存储和保存量子数据的量子特征，例如叠加或量子相干。

对本说明书中描述的各种系统或其部分的控制可以在数字和/或量子计算机程序产品中实现，该产品包括存储在一个或多个非暂时性机器可读存储介质上的指令，并且所述指令可在一个或多个数字和/或量子处理装置上执行。本说明书中描述的系统或其部分可以各自实现为设备、方法或电子系统，其可以包括一个或多个数字和/或量子处理装置和存储器，用于存储可执行指令以进行本说明书中描述的操作。

虽然本说明书包含许多具体的实施方式细节，但是这些不应该被解释为对可以要求保护的范围的限制，而是作为针对于特定实施例的特征的描述。本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以组合或在单个实施例中实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上文描述为以某些组合起作用并且甚至初始如此主张，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应被理解为要求以所示的特定顺序或先后顺序进行这样的操作，或者进行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上文所述的实施例中的各种系统模块和部件的分离不应该被理解为在所有的实施例中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或封装成多个软件产品。

已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求中记载的动作可以以不同的顺序进行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或先后顺序，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims (30)

1.一种设备，包括：

以量子位频率操作的量子位；以及

频率控制器，其配置为在量子位测量操作期间控制所述量子位频率，所述频率控制器还配置为：

确定补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述量子位测量操作期间的量子位频率变化；以及

在所述量子位测量操作期间将所述补偿脉冲施加到所述量子位，以保持所述量子位频率。

2.如权利要求1所述的设备，其中量子位测量操作期间的量子位频率变化包括量子位频率的不受控的偏移。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

4.如权利要求3所述的设备，其中为了确定所述补偿脉冲，所述频率控制器配置为迭代地构建补偿脉冲，其中所述频率控制器配置为：

测量在测量操作期间的量子位频率的偏移，以获得测量的量子位频率的偏移；

构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述测量的量子位频率的偏移；

将所述补偿脉冲施加到所述量子位；

且其中对于每次迭代，所述频率控制器配置为：

测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

确定是否已发生完成条件；

响应于确定尚未发生所述完成条件，为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及

响应于确定已经发生所述完成条件，使用最新构建的补偿脉冲作为所述确定的补偿脉冲。

5.如权利要求4所述的设备，其中确定是否已经发生完成条件包括确定对于当前迭代的测量操作期间的所述测量的量子位频率的偏移是否不是量子位频率的不受控的偏移。

6.如权利要求3所述的设备，其中为了确定所述补偿脉冲，所述频率控制器配置为：

初始测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

向所述量子位施加初始补偿脉冲，并测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

将对应于所述测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；以及

在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲，并使用变化的初始补偿脉冲测量补偿测量操作期间的频率的偏移，直到所述测量操作期间的得到的测量的量子位频率的偏移低于预定的可接受的偏移。

7.如权利要求6所述的设备，其中在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲包括，对于每个时间步长，保持用于先前的时间步长的所述变化的补偿脉冲的值。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述量子位占据多个量子位水平中的一个，且其中量子位频率变化包括到量子位水平的不受控的转变。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述量子位水平包括两个计算的量子位水平和各自高于所述计算的量子位水平的一个或多个非计算的量子位水平，且其中到量子位水平的不受控的转变包括到非计算的量子位水平的不受控的转变。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

11.如权利要求10所述的设备，其中为了确定所述补偿脉冲，所述频率控制器配置为迭代地构建补偿脉冲，其中所述频率控制器配置为：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述识别的到非计算的量子位水平的转变；

将所述补偿脉冲施加到所述量子位；

且其中对于每次迭代，所述频率控制器配置为：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

确定是否已发生完成条件；

响应于确定尚未发生所述完成条件，为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及

响应于确定已经发生所述完成条件，使用最新构建的补偿脉冲作为所述确定的补偿脉冲。

12.如权利要求11所述的设备，其中确定是否发生完成条件包括确定在测量操作期间没有发生到量子位水平的不受控的转变。

13.如权利要求10所述的设备，其中为了确定所述补偿脉冲，所述频率控制器配置为：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

向所述量子位施加初始补偿脉冲，并识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

将对应于所述测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；

在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲，直到不发生到非计算的量子位水平的转变。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述量子位是超导量子位。

15.如权利要求2所述的设备，其中所述补偿脉冲包括调谐所述量子位频率的磁通偏置。

16.如权利要求1所述的设备，还包括读出谐振器，其中在测量操作期间，所述读出谐振器耦合到所述量子位并由外部射频源驱动。

17.如权利要求1所述的设备，其中，由于所述量子位与其他两级或更多级系统的耦合而发生量子位频率变化。

18.一种测量量子位的状态的方法，包括：

确定补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述量子位测量操作期间的量子位频率变化；以及

在所述量子位测量操作期间将所述确定的补偿脉冲施加到所述量子位，以保持所述量子位频率。

19.如权利要求18所述的方法，其中量子位测量操作期间的量子位频率变化包括量子位频率的不受控的偏移。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

21.如权利要求20所述的方法，其中确定所述补偿脉冲包括迭代地构建所述补偿脉冲，包括：

测量在测量操作期间的量子位频率的偏移，以获得测量的量子位频率的偏移；

构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述测量的量子位频率的偏移；

将所述补偿脉冲施加到所述量子位；

且其中每次迭代包括：

测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及

确定是否已发生完成条件；

其中当确定已经发生所述完成条件时，使用最新构建的补偿脉冲作为所述确定的补偿脉冲。

22.如权利要求21所述的方法，其中确定是否已经发生完成条件包括确定对于当前迭代的测量操作期间的所述测量的量子位频率的偏移是否不是量子位频率的不受控的偏移。

23.如权利要求20所述的方法，其中确定所述补偿脉冲包括：

初始测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

向所述量子位施加初始补偿脉冲，并测量在测量操作期间的量子位频率的偏移；

将对应于所述测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；以及

在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲，并使用变化的初始补偿脉冲测量补偿测量操作期间的频率的偏移，直到所述测量操作期间的得到的测量的量子位频率的偏移低于预定的可接受的偏移。

24.如权利要求23所述的方法，其中在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲包括，对于每个时间步长，保持用于先前的时间步长的所述变化的补偿脉冲的值。

25.如权利要求19所述的方法，其中所述量子位占据多个量子位水平中的一个，且其中量子位频率变化包括到量子位水平的不受控的转变。

26.如权利要求25所述的方法，其中所述量子位水平包括两个计算的量子位水平和各自高于所述计算的量子位水平的一个或多个非计算的量子位水平，且其中到量子位水平的不受控的转变包括到非计算的量子位水平的不受控的转变。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述补偿脉冲包括时间相关的控制波形。

28.如权利要求27所述的方法，其中确定所述补偿脉冲，包括迭代地构建补偿脉冲，包括：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

构建补偿脉冲，当将所述补偿脉冲施加到所述量子位时，其抵消所述识别的到非计算的量子位水平的转变；

将所述补偿脉冲施加到所述量子位；

且其中每次迭代包括：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

为下一次迭代构建随后的补偿脉冲；以及

确定是否已发生完成条件；

且其中当确定已经发生所述完成条件时，使用最新构建的补偿脉冲作为所述确定的补偿脉冲。

29.如权利要求28所述的方法，其中确定是否发生完成条件包括确定在测量操作期间没有发生到量子位水平的不受控的转变。

30.如权利要求27所述的方法，确定所述补偿脉冲包括：

识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

向所述量子位施加初始补偿脉冲，并识别测量操作期间的到非计算的量子位水平的转变；

将对应于所述测量操作的持续时间的时间段划分为多个时间步长；

在所述多个时间步长中的每一个中顺序地变化所述初始补偿脉冲，直到不发生到非计算的量子位水平的转变。